空间大功率长寿命滚环电传输装置技术研究

李 兆，钱志源，，王治易，，赵万华

(1.上海宇航系统工程研究所，上海201109；2.上海市空间飞行器机构重点实验室，上海201108)

空间大功率长寿命滚环电传输装置技术研究

李 兆1，钱志源1，2，王治易1，2，赵万华2

(1.上海宇航系统工程研究所，上海201109；2.上海市空间飞行器机构重点实验室，上海201108)

滚环是一种新型的汇流环产品，主要用于旋转部件间的电能传输。在国内外资料调研的基础上，对空间大功率长寿命滚环电传输装置进行了理论分析、样机生产及试验验证。结果表明此种结构下的功率滚环的电性能及工作寿命较传统导电滑环均有明显提升，单环的传输能力提高了近5倍，而回路电阻仅为导电滑环的15％，并且实际电性能在低轨15年的工作寿命期间(折合工作转数约10万转)也无明显增大的趋势。因此功率滚环可作为后续空间或其他特殊场合电传输装置的研究方向。

滚环；电传输；整机设计；试验验证

1 引言

汇流环是在两个相对旋转部件间进行电传输的装置，广泛应用于空间太阳帆板驱动机构中，将帆板上产生的电能传输至航天器内部。随着空间技术的发展，航天器对功率的需求越来越大，在轨工作时间越来越长，因此驱动机构需要进行大功率长寿命的电能传输。传统的驱动机构往往采用柱式或盘式导电滑环作为其内部的电传输装置。但在长时间运转条件下，导电滑环的电接触表面由于滑动摩擦而产生较为严重的磨损，导致传输效率降低，回路电阻波动较大，并形成磨屑，对电传输的可靠性带来隐患，从而难以满足空间大功率长寿命的电传输需要[1]。因此国内外从滚动电接触出发，探索出寿命更长、性能更优的滚环电传输装置[2]。

滚环使用滚动电接触代替滑环中的滑动电接触，大幅度地降低了接触表面间的摩擦磨损，因此其电性能更加稳定、寿命更长，可靠性更高。更适合于空间环境等长时间工作且无法维护的条件中使用。

从上世纪80年代，国外便开始了滚环研究[3]，并成功应用于国际空间站上的α驱动机构(SARJ)中[4]。经过近些年的发展与优化改进，已形成了较为成熟的产品，目前已经较为广泛地应用在地面航管雷达及防卫雷达等相关领域。

国内对滚环的研究才刚刚起步，仅处于摸索阶段，并未完全掌握滚环的设计技术。仅哈工大[5]，中电38所[6]进行了相关原理样机的研制。但所研制出样机仅适合信号或小额电流的传输，且回路的静态电阻较大，较难满足空间大功率电传输的需要。

本文介绍了大功率长寿命滚环的技术研究及样机制备工作，并对样机进行了长时间跑合及性能测试，最终验证了此结构的滚环大功率长寿命传输的可行性。

2 大功率滚环结构设计

2.1 结构设计

滚环主要是由内、外导电环，柔性环等零件组成，结构形式如图1[3]。柔性环在一定预压紧的作用下卡在内外导电环之间，当内外导电环发生相对旋转时，柔性环便在内外导电环的环槽之间进行转动，并时刻与内外导电环发生接触，以保证内外导电环之间的电传输。

图1 信号滚环结构示意图Fig·1 Structure of the signal roll ring

在前期滚环摸索阶段我国研究生产的滚环原理样机便是采用图1中的结构。此构型下的滚环由于内外导电环一个环槽之间仅存在一个导电环，难以进行大电流大功率的传输，一般称之为信号滚环。在此基础上，对滚环结构进行了设计优化，在内外导电环同一环槽中加入多个柔性环，便可传输更大的电流及功率。为了防止柔性环在运动过程中发生碰撞或运动干涉等情况，影响机构的电传输性能，在相邻柔性环之间加入惰轮。另外为了尽可能的减低运动部件间的相对摩擦，惰轮需要在特定的轨道上进行运动。最终的滚环结构示意图如图2。

图2 功率滚环结构示意图Fig·2 Structure of the power roll ring

柔性环作为滚环中的关键零部件，其位于滚环的内外导电环之间，具体运动示意图如图3所示。

图3 柔性环运动示意图Fig·3 Contrail for the flexiblering

当内导电环转动时，柔性环在内环的带动下也发生转动。且柔性环的转动分为公转和自转两种形式，既围绕内外环的圆周中心进行转动，又围绕柔性环自身圆周中心转动。因此在大功率滚环结构中，处于两柔性环之间的惰轮作为柔性环维持圆周间隔而不产生滑动的一种措施，也需要在自转的同时并以柔性环相同的公转速度进行公转。基于以上分析，惰轮需要在一组机械上依附于内导电的导轨上进行滚动。大功率滚环的运动学模型见图4，运动学分析可通过该模型进行。

图4 功率滚环运动学分析模型Fig·4 Kinematic model of the power roll ring

已知内环转速为ω1，外环固定，内环半径Ri，外环半径Ro，柔性环半径r，惰轮半径rd，r柔性环压缩量为β，则其关系满足式(1)：

设柔性环公转速度为ωα，自转速度为ωβ2。则其关系满足式(2)～(3)：

惰轮的公转速度ωd与柔性环相同，自转速度如式(4)：

对惰轮与导轨的接触点进行分析，导轨半径为Rw，则存在式(5)所示关系：

从速度方向分析，惰轮与内环转速同向，惰轮与导轨需为内啮合。

根据以上公式结合几何关系进行惰轮及导轨的尺寸计算，便可保证滚环中内外导电环、柔性环、惰轮、导轨间接触点间保持纯滚动，最大限度的降低磨屑的产生。

在大功率滚环中，较为重要的技术指标主要为接触电阻及寿命。以下便对这两个参数进行理论分析与计算。

2.2 接触电阻

由材料力学可知，柔性环在压缩量为β的情况下与其所受的压缩力F的关系如式(6)[7]：

式中E为材料的弹性模量、R为柔性环半径，I为柔性环对其旋转中心的惯性矩；

根据电接触理论[8]，单个柔性环的接触电阻如式(7)：

式中ρ为两接触表面的平均电导率，H为两接触零件中较软材料的硬度，K1，K2，n为加工系数，在精加工的情况下，K1＝1，n＝4，K2一般取1～2。

在大功率滚环中，柔性环在电路上属于并联关系，各个柔性环与内外导电环间的接触电阻也应属于并联关系，因此整个回路中的接触电阻应满足式(8)：

式中K为单层滚环中柔性环的个数。

根据公式(6)～(8)，大功率滚环中的环体电阻不到1 mΩ，要远小于传统的导电滑环。因此大功率滚环在电传输过程中不仅传输的电流更大，传输的效率也更高，热耗也更小。

2.3 寿命

滚环中各个运动部件间理论上均为纯滚动，基本无磨屑产生，因此滚环的工作寿命主要取决于柔性环的疲劳寿命。

柔性环在受压下的变形如图5所示。根据材料力学，环体上各点上的弯矩分布及所受应力分别如式(9)、(10)：

图5 柔性环受力示意图Fig·5 The stress diagram of the flexible ring

根据上述公式，柔性环工作过程中各点所受的应力仅与其位置相关，并呈周期性的变化。在设计中柔性环压缩量为0.5 mm，理论计算柔性环所受的压缩力为0.783 N；计算的最大应力为86.6 MPa。结合材料的S-N数据，对柔性环的疲劳寿命进行计算分析。对于柔性环材料铍青铜，按照《铜、铜合金及其制品生产新技术新工艺流程及质量检验相关标准》[7]中铍青铜材料疲劳寿命曲线为参考(见图6)。

图6 铍青铜QBe2·0材料的疲劳寿命曲线[9]Fig·6 The S-N curve of the beryllium bronze QBe2·0[9]

柔性环所受的最大应力远小铍青铜材料107次时对应的疲劳应力为270 MPa。因此理论分析上滚环中柔性环至少可转动107转以上。

在应用有限元方法对柔性环所受应力进行仿真校核。因为内外导电环之间的柔性环受力情况相同，对机构模型进行简化，仅分析其中一个柔性环的应力状态。整体模型包括内导电环、外导电环及柔性环。划分网格时，将与柔性环接触的内外导电环圆弧分为20段，与内外环接触点附近的柔性环环向尺寸为0.1 mm、横向尺寸为0.04 mm。模型共有4.4万单元(如图7)。

经分析，柔性环的环向应力如图8所示，与内外导电环接触点附近环向应力较高，外表面受压、内表面受拉。滚环的环向应力最值出现在与内环接触点附近，最大应力为83.3 MPa。

为了获得滚动时每个截面的应力变化曲线，将该位置沿滚环一周的环向应力提取出来，如图9所示，内表面应力在[-27.7，83.3]Mpa，内表面应力在[-82.2，42.8]MPa。

图7 柔性环有限元模型Fig·7 The finite-element model of the flexiblering

图8 柔性环应力分布图Fig·8 The stress distribution of the flexible ring

图9 柔性环应力变化周期图Fig·9 The periodical stress variation in the flexible ring

根据有限元的应力分析，柔性环所受的最大应力为83 MPa，同样可满足107转的疲劳寿命要求。根据公式3中柔性环与内导电环自转速度的关系，柔性环在107转动次数下，内导电环转动约4×106转。

在近地轨道上的空间驱动机构一般每年的转数为6000转，长寿命一般要求15年左右，即要求机构的工作寿命不小于105转。根据上述分析滚环的设计寿命远大于105转动需求，可以满足现空间机构的长寿命工作要求。

3 样机研制及试验

根据上述的理论计算与分析，设计生产出一台大功率滚环样机，实物如图10所示。样机共包含4环路，对其进行了105转的跑合试验，速度为40 rpm。在跑合过程中，对其环路电阻进行定时检测。图11为其环路电阻的变化趋势图。

图10 大功率滚环样机Fig·10 The prototype of the high power roll ring

图11 样机环路电阻变化曲线图Fig·11 The curve of the loop resistance in the prototype

由大功率滚环样机的电性能测试情况可得，样机的环路电阻较小，不到3 mΩ，远小于现有滑环中功率环的环路电阻(20 mΩ)。且在整个跑合周期内，环路的电阻曲线均较为平坦，无明显增大的趋势，证明样机的电性能还基本稳定，可以满足空间机构对电传输装置大功率及长寿命的要求。

在以上测试的基础上，对样机还进行了力学环境试验及真空环境下(＜1.3×10-3Pa)的考核。试验前后，样机的状态及技术参数保持一致，说明滚环这种新型的电传输装置不仅电性能优于以往的导电滑环产品，在空间这种特殊的环境下同样可以满足使用要求。

滚环样机的主要性能参数列于表1。

表1 滚环样机主要性能参数Table 1 Main parameters of the prototype roll ring

4 结论

通过对大功率滚环电传输装置的理论研究及设计生产试验的成功验证，得出如下结论：

1)经过理论研究分析及工程样机试验的验证，证明了功率滚环这种新构型电传输装置结构形式的合理性，后续可以应用于空间及地面相关汇流环使用的场所。

2)与传统导电滑环相比，功率滚环的传输能力及传输性能明显提高，功率滚环工程样机中单环传输电流可以达到40 A以上，传输电压可达100 V。远大于传统滑环单环一般不超过10 A的传输能力。汇流环最重要的传输性能——环路电阻也有明显改善，经105转跑合后，仅为3 mΩ，明显小于传统滑环二三十毫欧的技术指标。

3)在整个寿命期间，功率滚环工程样机的电性能指标及其稳定，环路的电阻波动终小于1 mΩ。远优于传统滑环寿命末期电阻波动近5 mΩ的指标。

根据以上分析研究与样机试验验证，证明了功率滚环设计的合理性。相较于传统滑环，具有传输电流大、传输效率高、工作寿命长的优势，可以应用在空间或其他传输功率较大、工作寿命较长、电性能指标较为苛刻的汇流环应用场所。

References)

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Research on High-power and Long-life Roll Ring for Electric Transmission in Space

LI Zhao1，QIAN Zhiyuan1，2，WANG Zhiyi1，2，ZHAO Wanhua2
(1.Aerospace System Engineering Shanghai，Shanghai201109；2.Shanghai Key Laboratory of Spacecraft Mechanism，Shanghai201108)

The roll ring is a new kind of collector ring，which can be used for electric transmission between relative rotary mechanisms.On the basis of the domestic and international researches，the high-power and long-life roll ring for electric transmission in space was studied through theoretical analysis，prototype manufacturing and test validation.The results showed that the electrical properties and the working life of the power roll ring were improved significantly than that of the conventional slip ring.Electric transmission capacity of each loop increased by nearly five times，but the loop resistance was only 15％of the slip ring.The entire electrical performance was stable during the 15 years lifetime in LEO(equivalent to approximately 100，000 working revolutions).So the power roll ring can become a new king of collector ring for the space station or other special occasions.

roll ring；electric transmission；machine design；test validation

TM241

A

1674-5825(2015)05-0498-05

2014-09-10；

2015-07-12

李 兆(1986-)，男，硕士，工程师，研究方向为驱动指向机构及电传输机构。E-mail：lizhaoxjtu＠163.com